裂缝性地层防漏堵漏力学机制研究

。海相碳酸盐岩地层油气资源丰
富，但地质条件异常复杂，工程作业艰难，风险大， 费用高，耗时长，钻井中井漏发生率高。井漏不但 损失大量钻井液，伤害油气层，还可能引发井壁坍 塌、卡钻、井喷等一系列复杂或事故，甚至会导致 井眼报废，产生重大经济损失
[6-7]
。四川盆地川东北
地区钻井过程中几乎每口井都发生过井漏， 如 SM– 1 井钻至井深 3 573 m 时， 突遇嘉陵江组二段高压气 层， 在压井过程中又造成上部低压层漏失， 由于上、 下部地层压力相差悬殊，导致多次承压堵漏失败， 最后被迫用凝胶+水泥将下部高压层封住，填井侧 钻，经济损失惨重。 随着常规油气资源逐步衰竭，钻井已走向超深 层、复杂地层及非常规油气层，复杂的地质环境及 特殊钻井工艺使得井漏问题更加突出。虽然前人已 进行了大量的研究和实践，但绝大部分集中在堵漏 材料和堵漏配方研发上。未能直接探讨发生堵漏的 机制和措施的原理，在探讨机制方面的研究更多的 是力学或化学方面的经典分析。现场作业时，还是 以经验为主，导致堵漏作业成功率低，承压效果不 理想[8-12]。近十年来，国内外学者开始越来越重视 机制研究。M. W. Alberty 和 M. R. Mclean[13]提出“应 力笼”模型，从增加井周应力的角度解释了提高地 层承压能力的机制；F. E. Dupriest[14]提出了裂缝闭 合压力理论；H. Wang 等[15-17]利用边界元法建立模 型，分别讨论了封堵和支撑裂缝两种方式对承压能 力的影响；Y. Feng 等[18]利用有限元法对“应力笼” 模型进行研究， 采用线弹性、 孔弹性及渗流等模型， 均得到一致的规律，即在缝口架桥可以提高井周切 向应力；王 贵等[19-20]分别建立了承压堵漏数学模
Pw O
Pw Pw p w
rw xwb
(3)
井筒
Pbp
b
Pt pt
式中：σ y(x，0)为裂缝面上的应力，a 为裂缝半长。 由式(3)可见，在地应力和井内压力一定的条件 下，钻井液进入微裂缝后会导致缝内压力作用有关 的应力强度因子增加，如果该增量足够大，使得 KI 达到 KIC，亦会导致井漏。为此，控制微裂缝扩展是 强化井筒承压，预防井漏的一种方式。
Fig.2
堵漏材料 堵漏液
向裂缝尖端滤失
地层
图 2 封堵层形成示意图 Diagram of the formation for plugging zone
K I ≥ K Ic KIc 为临界应力强度因子(MPa·mm0.5)。
(1)
式中：KI 为裂缝尖端应力强度因子(MPa·mm0.5)； 裂缝尖端应力强度因子与地应力、井筒压力和 缝内压力有关，根据应力叠加原理[22]，可得： K I = K I (σ H )+K I (σ h )+K I ( Pw )+K I ( Pf ) (2)
Leakage prevention and control in fractured formations
ZENG Yijin1，LI Daqi1，YANG Chunhe2
(1. Sinopec Research Institute of Petroleum Engineering，Beijing 100101，China； 2. Institute of Rock and Soil Mechanics，Chinese Academy of Sciences，Wuhan，Hubei 430071，China)
[21]
(a) 岩心观察
高角 度缝
型，讨论了承压堵漏的影响因素；康毅力等
分析
了低承压能力地层的漏失机制，并提出了 3 种井筒 强化理论。目前，上述各种模型虽在现场已有成功 应用的例子，但还不能完全解释现场实际情况，学 术界对防漏堵漏机制的认识仍存在较大争论[22]。本 文利用岩石断裂力学理论，采用理论分析和有限元 数值模拟方法，深入研究了防漏堵漏的力学机制， 并开展了现场应用，以期为裂缝性地层防漏堵漏和 承压堵漏技术的选择或研发提供理论支持。
式中：KI(σ H)，KI(σ h)，KI(Pw)和 KI(Pf)分别为σ H，σ h， Pw 和 Pf 引起的裂缝尖端应力强度因子(MPa· mm )。 假设裂缝长度为 2a ，裂缝尖端应力强度可用 Winter(1983)解析解计算，即
KI = 1 a a+x σ ( x， 0) dx ∫ −a y a−x πa
Fig.1
(b) 成像测井
图1
天然裂缝
Natural fractures
第 35 卷
第X期
曾义金等：裂缝性地层防漏堵漏力学机制研究
向地层滤失
•3•
传统理论认为压裂性漏失的漏失压力为破裂压 力。然而，钻井中钻头破岩时会在钻头附近诱发微 裂缝，钻具振动和原地应力释放也会诱发微裂缝。 这些微裂缝可以看作岩石缺陷，它更容易在井内压 力作用下扩展。采用传统理论得到的破裂压力往往 高于漏失压力。为此，采用断裂力学理论进行研究 更为合理。裂缝尖端应力强度因子是否大于临界应 力强度因子是判别裂缝扩展的准则，即
•2•
岩石力学与工程学报
2016 年
1
引
言
2
裂缝性地层漏失机制
井漏需要具备 3 个基本条件：正压差、漏失通
油气钻井中经常出现“漏、喷、坍、卡”等井 下复杂与事故，预防及控制井壁失稳一直是该领域 的前沿性课题
[1-5]
道和漏失空间。而裂缝性地层恰恰存在漏失通道和 漏失空间(见图 1)， 因此相对与致密地层更易发生漏 失。根据钻井液与地层相互作用机制，将漏失分为 3 类：压裂性漏失、裂缝扩展性漏失和大型裂缝溶 洞漏失[23]。压裂性漏失发生在不含显著裂缝的地层 中，通常是因为井内压力大于破裂压力所致，钻井 液压裂地层而发生井漏的原理同水力压裂类似。裂 缝扩展性漏失发生在微裂缝地层中，裂缝在井筒压 力作用下逐渐变宽并延伸，钻井液进入裂缝系统而 导致漏失，这种情况较为常见，漏失压力为裂缝扩 展压力，常采用断裂力学理论进行解释。大型裂缝 溶洞性漏失则发生在裂缝尺寸较大，且裂缝较为发 育的地层中，在钻井中通常表现为钻遇即漏，该类 地层的漏失压力一般略大于地层孔隙压力。
第 35 卷 第 X 期 2016 年 X 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
Vol.35 No.X XXX， 2016
裂缝性地层防漏堵漏力学机制研究
曾义金 1，李大奇 1，杨春和 2
(1. 中国石油化工股份有限公司 石油工程技术研究院，北京 100101； 2. 中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室，湖北 武汉 430071)
Fig.3
rw xwb
xb b
x
Fra Baidu bibliotek
a
a
X rX
图 3 缝内压力分布 Pressure distribution in fracture
根据经典岩石力学理论，裂缝闭合应力为： Pc =
σH +σh ⎛
3
防漏堵漏理论模型
2 4 2 ⎞ σH −σh ⎛ ⎞ rw rw rw + − + − 1 1 3 P ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ w 2 2 ⎝ r2 ⎠ 2 ⎝ r4 ⎠ r (rw ≤ r ≤ a ) (5)
Abstract：Leakge is a big problem for the safety and efficiency of drilling. The fracture aperture，the circumferential
stress and the stress intensity factor of fracture tip were studied in the case of bridging or sealing in different fracture locations with the numerical method. The results show that the longer the fracture，the larger the stress intensity factor and the fracture aperture when the wellbore pressure is constant. The bridging location in the fracture opening has the best effect，with the circumferential effective stress enhanced the most and the stress intensity factor the lowest. The lower the fracture pressure is，the more enhanced the circumferential effective stress and the smaller the stress intensity factor. Suitable particle size should be chosen in accordance with the fracture aperture while drilling. Sealing micro-fractures quickly and efficiently by constantly adding LCMs and using high-performance LCMs can prevent the occurrence of pernicious mud loss effectively，and improve the pressure bearing capacity of the formation. Key words：petroleum engineering；fracture；fracture；lost circulation prevention and control；numerical simulation； wellbore strengthening
式中：Pc 为裂缝闭合应力(MPa)；σH 为最大水平主 应力(MPa)；σh 为最小水平主应力(MPa)。 裂缝面上的法向应力为： 2 4 ⎧σ H + σ h ⎛ rw ⎞ σH −σh ⎛ ⎞ rw ⎪ ⎜1 + 2 ⎟ − ⎜1 + 3 4 ⎟ − 2 ⎝ r ⎠ ⎪ 2 ⎝ r ⎠ ⎪ ⎛ r2 ⎞ ⎪ Pw ⎜1 + w (rw ≤ r ＜xwb ) ⎟ ⎪ ⎝ r2 ⎠ ⎪ 2 4 ⎞ rw ⎪ σ H + σ h ⎛ rw ⎞ σ H − σ h ⎛ 1 1 3 + − + − ⎜ ⎟ ⎜ 2 4 ⎟ ⎪ 2 ⎝ r ⎠ 2 ⎝ r ⎠ (6) Pc − Pf = ⎨ 2 ⎪ rw ( xwb ≤ r ≤ xb ) ⎪ Pw 2 − Pb ⎪ r 2 4 ⎪σ H + σ h ⎛ rw ⎞ σH −σh ⎛ ⎞ rw ⎪ ⎜1 + 2 ⎟ − ⎜1 + 3 4 ⎟ − 2 2 r r ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎪ ⎪ r2 ⎪ Pw w − Pt ( xb＜r ≤ a) ⎩ r2
0.5
力之差的作用下对裂缝壁面形成了一定的作用力 (见图 3)。为了便于分析，将缝内压力分为三段，即 ⎧ Pw (rw ≤ r ＜xwb ) ⎪ (4) Pf = ⎨ Pb ( xwb ≤ r ≤ xb ) ⎪ P ( x ＜r ≤ a ) b ⎩ t
式中：Pf 为缝内压力(MPa)；Pw 为井筒压力(MPa)； Pb 为封堵层段压力(MPa)；Pt 为缝尖压力(MPa)。
收稿日期：2015–09–11；修回日期：2015–10–19 基金项目：国家重大专项资助项目(2011ZX5005–006) Supported by the 作者简介：曾义金(1964–)，男，2003 年于中国石油大学(北京)油气井工程专业获博士学位，现任教授级高工，主要从事石油工程技术方面的研究工 作。E-mail：zengyj.sripe@sinopec.com DOI：10.13722/j.cnki.jrme.2015.1268
摘要：井漏是制约安全、快速、高效钻井的技术瓶颈。为了提高防漏堵漏效率，基于断裂力学理论，采用理论分 析和数值模拟方法，研究堵漏材料在裂缝内不同位置架桥及考虑不同封堵效率的裂缝尖端应力强度因子、井周有 效切向应力及裂缝宽度大小。研究表明，井筒压力一定时，裂缝越长，裂缝宽度和裂缝尖端应力强度因子越大； 堵漏材料在裂缝开口处架桥时，井周有效切向应力提高最多，裂缝尖端应力强度因子最小，承压堵漏效果越好； 缝内压力越低，井周有效切向应力提高越多，裂缝尖端应力强度因子越小。钻井中应根据裂缝宽度变化范围，选 择合理的颗粒尺寸，使架桥位置靠近井筒，并随钻加入防漏堵漏材料，及时封堵微裂缝，防止裂缝持续扩展；同 时使用优化的粒度分布及高性能的堵漏材料，形成致密封堵层，可以提高地层承压能力，有效预防井漏。通过现 场试验验证，研究结果对现场防漏堵漏工作具有很好的指导意义。 关键词：石油工程；裂缝；断裂；防漏堵漏；数值模拟；井筒强化 中图分类号：TE 21 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2016)00–0000–00